Helios забезпечує квантову перевагу з впливом на реальний світ

Прорив у моделюванні надпровідності за кімнатної температури відкриває двері до трансформаційних технологій. Реальний експеримент Quantinuum на найпотужнішому у світі квантовому комп'ютері є найбільшим у своєму роді — настільки великим, що жодні класичні обчислення не можуть з ним зрівнятися.

Камерлінг-Оннес успішно отримав гелій у рідинному стані, що було настільки вражаючим досягненням, що через два роки він отримав Нобелівську премію з фізики. Завдяки цьому прориву вчені тепер могли занурювати інші матеріали в ванну з рідким гелієм, охолоджуючи їх до безпрецедентних температур і спостерігаючи за їхньою поведінкою.

У 1911 році студент, який працював під керівництвом цього відомого фізика, зробив відкриття, яке переосмислило наше розуміння електрики.

Коли він охолодив ртутний дріт до 3,6 K°, він виявив щось дивовижне: питомий електричний опір раптово зник.

Оннес швидко розробив геніальний експеримент. Він взяв замкнутий дротяний контур, занурив його у рідкий гелій, пропустив через нього струм і спостерігав, як він нескінченно тече, не згасаючи. Так народилася надпровідність.

Більше століття потому всі відомі надпровідники все ще потребують екстремальних умов, таких як жорсткий холод або високий тиск. Якби ми могли замість цього розробити матеріал, який є надпровідником за кімнатної температури та за нормальних умов, наш світ би докорінно змінився.

Розробка такого матеріалу означає пошук відповідей на багато відкритих питань. Одним з перспективних підходів є світлоіндукована надпровідність. В одному вражаючому дослідженні вчені з Інституту Макса Планка в Гамбурзі використали світло, щоб спонукати матеріал, який зазвичай перебуває в надпровідному стані приблизно при -180 °C, до надпровідності при кімнатній температурі, але лише на кілька пікосекунд. Цей ефект викликав нові питання: як світло досягає того, над чим вчені борються десятиліттями? Який мікроскопічний механізм стоїть за цим явищем?

Щоб зрозуміти надпровідність, фізикам спочатку потрібна математична модель, що описує, як вона працює. З правильною моделлю вони можуть передбачати і навіть розробляти нові надпровідники, які працюють за більш практичних умов.

З моменту відкриття надпровідності було вкладено багато роботи в пошук цієї правильної моделі. Одним з найкращих варіантів для опису високотемпературних надпровідників, є модель «нерівноважного Фермі-Хаббарда» (“non-equilibrium Fermi-Hubbard”), яка описує, як електрони взаємодіють і рухаються в кристалі.

Навіть озброєні моделлю Фермі-Хаббарда, світлоіндуковану надпровідність було дуже важко вивчати. Найпотужніші суперкомп'ютери світу можуть обробляти лише дуже малі версії, що обмежує їхню корисність.

Світлоіндуковану надпровідність також виявилась складною для вивчення за допомогою квантових комп'ютерів, оскільки для цього потрібні низькі показники помилок, багато кубітів і надзвичайна гнучкість для вимірювання непостійних симптомів надпровідності.

Helios від Quantinuum – одна з перших машин у світі, здатних впоратися зі складністю нерівноважної моделі Фермі-Хаббарда в масштабах, які раніше були недосяжними.

Лабораторія Helios на основі кубітів — це здійснення мрії з кількох причин. По-перше, вона дозволяє готувати довільні стани — готувати стани, далекі від рівноваги, що є складним завданням для класичних комп'ютерів. По-друге, вона дозволяє проводити значно тривале «динамічне моделювання» — спостерігати, як стан розвивається в часі, коли заплутаність поширюється, а складність зростає. Зрештою, це дозволяє гнучкі вимірювання та експериментальні параметри, включаючи критичні «позадіагональні» спостережувані величини, що несуть ознаки надпровідності, та моделювати будь-яку систему, таку як ті, що мають лазерні імпульси або електричні поля.

У роботі було змоделювано три різні режими моделі Фермі-Хаббарда та успішно виміряно ненульові кореляції надпровідних пар – вперше для будь-якої квантової обчислювальної платформи.

Починалось з підготовки низькоенергетичного стану моделі при половинному заповненні – стандартного еталона для тестування квантових симуляцій. Потім, використовуючи змодельовані лазерні імпульси або електричні поля, систему збурили та спостерігали, як вона реагує.

Після цих збурень було виявлено помітне збільшення так званих парних кореляцій «eta», математичної ознаки надпровідної поведінки. Ці результати доводять, що наші комп'ютери можуть допомогти нам зрозуміти світлоіндуковану надпровідність, як-от результати дослідників Макса Планка. Однак, на відміну від цих фізичних експериментів, Helios пропонує новий рівень контролю та розуміння. Налаштовуючи кожен аспект моделювання — від форми імпульсу до напруженості поля та геометрії решітки — дослідники можуть досліджувати сценарії, які абсолютно недоступні для реальних матеріалів або аналогових симуляторів.

Чому все це важливо? Якби можна було б передбачити, які матеріали стануть надпровідними — і за якої температури, поля чи струму — це змінило б те, як шукати нові надпровідники. Замість методу спроб і помилок у лабораторії, вчені могли б спочатку розробляти та тестувати нові матеріали в цифровому вигляді, заощаджуючи величезну кількість часу та грошей.